高碼率遙測TPC 編碼應用技術(shù)研究

趙錦瑾，劉智惟，沈利軍

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引言

隨著航天飛行器復雜度和電子化程度的不斷提高，飛行器需要向地面?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)量隨之急劇增大。無線通信是航天飛行器與地面之間進行數(shù)據(jù)交互的主要途徑之一。高碼率、數(shù)字化的箭地無線通信傳輸是解決飛行器與地面之間數(shù)據(jù)交互的重要手段[1～5]。

航天飛行器所處的空間電磁環(huán)境復雜多變會對無線電信號產(chǎn)生干擾。無線電波經(jīng)過大氣層傳播時，大氣層介電特性的不均勻性、大氣湍流、電離層閃爍等眾多因素，也會對無線電信號產(chǎn)生干擾，同時引起無線電信號的多徑效應，不利于箭地無線通信，尤其是高碼率無線通信的正常工作。因此，箭地無線通信的可靠性問題，對箭上狀態(tài)監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析至關(guān)重要。為了提高箭地無線通信的可靠性，應當對無線通信數(shù)字信號中出現(xiàn)的差錯進行控制。圖1為航天飛行器箭地無線通信示意。

圖1 航天飛行器箭地無線通信示意Fig.1 Telemetry between Aerospace Crafts and Ground Stations

相對于現(xiàn)役型號2 Mbit/s以下碼速率而言，近年逐漸推廣應用的5 M碼率和10 M碼率屬于高碼率范疇。在2 M碼率遙測傳輸時，鏈路余量較大，不需要TPC編碼即可較好地實現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)的可靠傳輸。隨著火箭遙測數(shù)據(jù)量的不斷增大，為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，TPC編碼技術(shù)已應用于5 Mbit/s碼率遙測，后續(xù)還將應用于10 Mbit/s碼率遙測，以及未來的20 Mbit/s、50 Mbit/s碼率遙測。

TPC編碼是一種接近香農(nóng)極限的差錯控制編碼技術(shù)，比RS編碼、卷積編碼的編碼增益和效率更高。相比Turbo碼，編碼增益不會隨著碼率的提高而迅速下降。TPC編譯碼結(jié)構(gòu)簡單、碼長靈活，負載度較小、設備簡單，十分適用于航天高碼率遙測數(shù)據(jù)傳輸。

本文針對航天飛行器箭地無線通信中數(shù)字信號差錯控制的TPC信道編碼方法進行分析，并結(jié)合實際工程經(jīng)驗提出一種基于FPGA的信道編碼應用方法[6～11]。

1 TPC編碼

數(shù)字通信系統(tǒng)基本組成如圖2所示。飛行器在空中飛行時，其所傳輸?shù)臒o線數(shù)據(jù)，要在編碼和調(diào)制后，經(jīng)過無線信道，傳輸至地面設備后解調(diào)解碼，恢復出原始數(shù)據(jù)，供地面站監(jiān)控火箭狀態(tài)。在無線電波傳播的過程中，要經(jīng)歷大氣環(huán)境的影響。大氣是一種組分繁多，流動特性復雜的流體。大氣對電磁波的折射、反射和吸收，會引起火箭無線信號的干擾和多徑等影響，造成遙測信息出現(xiàn)差錯，影響箭上信息的可靠傳輸，干擾地面測控站對火箭狀態(tài)的獲取。

圖2 數(shù)字通信系統(tǒng)基本組成Fig.2 Block Diagram of Digital Communication System

為了減少箭上無線信號在空間傳播過程中受外界環(huán)境干擾而出現(xiàn)的誤碼，需要對箭上發(fā)射的數(shù)字數(shù)據(jù)進行差錯控制。信道編碼是對箭上數(shù)字信號進行差錯控制的方法。

箭上無線信號的信道編碼方法，是在箭上發(fā)射端對基帶數(shù)據(jù)添加一系列冗余項。這些冗余項不是隨意添加的。冗余項的各個碼元之間，以及冗余項碼元與基帶數(shù)據(jù)碼元間，存在符合一定規(guī)律的相關(guān)性。當?shù)孛鏈y控站接受到無線信號后，在對信號進行解調(diào)解碼的過程中，通過這些冗余項碼元以及冗余項碼元與基帶數(shù)據(jù)碼元間的相關(guān)性關(guān)系，可以檢測接受到的基帶數(shù)據(jù)信息是否與箭上發(fā)送的基帶數(shù)據(jù)信息一致，據(jù)此可最大限度還原出真實的箭上信息[12～15]。

用于火箭無線通信的信道編碼方法，應當具有極高的無差錯傳輸性能。考慮到火箭載荷、箭上空間和箭上能源的苛刻限制，箭上設備對體積、功耗和重量嚴格受限，以及火箭飛行速度快、火箭狀態(tài)監(jiān)測對實時性的要求加高，火箭無線通信的信道編碼方法應當具有較低的編譯碼復雜度、對設備硬件資源和能耗的占用要盡量少。Turbo乘積碼即TPC編碼，既具有接近理論極限的優(yōu)越性能，又具有較低的譯碼復雜度，十分適用于火箭無線通信[16～20]。

1.1 火箭無線TPC碼原理

火箭無線通信所采用的TPC編碼，是一種二元線性分組碼。其中的任意一個攜帶無線通信碼組c(n，k)，符合如下關(guān)系：

式中 M為由k個火箭數(shù)字信息比特組成的向量；G為火箭無線TPC編碼的生成矩陣。

根據(jù)式（1），由火箭的向發(fā)射機輸入的基帶信息向量，即可求得其相應的碼字。

1.2 火箭無線TPC編碼方法

火箭無線TPC編碼的并行級聯(lián)分組碼，是由兩個以上分量碼作為子碼所產(chǎn)生，如圖3所示。和 C2( n2, k2, δ2)作為火箭無線TPC編碼的分量碼。

圖3 火箭無線TPC編碼方法Fig.3 Schematic Diagram of Rocket TPC Coding

二維的火箭無線TPC碼的編碼過程如圖4所示。

圖4 火箭無線TPC碼的編碼過程Fig.4 Schematic Diagram of Rocket TPC Coding

考慮到航天無線信號傳輸對編譯碼負載度的嚴格要求，國際航天遙測領(lǐng)域，通常采用IEEE 802.16標準進行TPC編碼的設計。

IEEE 802.16標準所推薦的航天無線TPC編碼方法如表1和圖5所示。

表1 IEEE 802.16標準推薦碼型Tab.1 Code Pattern Recommended by IEEE 802.16 Standard

圖5 IEEE 802.16標準推薦處理過程Fig.5 Schematic Diagram Recommended by IEEE 802.16 Standard

1.3 火箭高碼率遙測數(shù)據(jù)傳輸?shù)腡PC編碼方法

中國火箭新型高碼率遙測數(shù)據(jù)傳輸使用的TPC編碼方法，采取擴展?jié)h明乘積碼方法：(64,57)× ( 64,57)。在對火箭遙測數(shù)據(jù)進行TPC編碼時，要求先對遙測數(shù)據(jù)的行進行編碼，后對遙測數(shù)據(jù)的列進行編碼，編碼的結(jié)構(gòu)如圖6所示。其編碼算法如式（4）所示：

圖6 高碼率遙測TPC編碼方式Fig.6 Schematic Diagram of High Bit Rate Telemetry TPC Coding

火箭遙測數(shù)據(jù)在進行TPC編碼時，要求編碼器從第1行開始計算行校驗位，并將計算所得添加在信息位的后面。

對于遙測數(shù)據(jù)進行TPC編碼是，要求每一行都要進行上述操作，按照順序先后逐次進行行編碼，直至行編碼完成。

然后，火箭遙測數(shù)據(jù)編碼器從第1列開始，進行計算列校驗位。同樣的，將計算所得列校驗位添加在信息位的后面。一列完成后移動到下一列，按照順序先后逐次進行列編碼，直到完成所有列的編碼。

理想狀態(tài)下，TPC編碼適用于所有碼速率通信傳輸。但受到傳輸信號帶寬、硬件設備處理速度、TPC編碼迭代次數(shù)等限制，實際上TPC編碼所能應用的碼速率范圍是有限的。例如，當譯碼時鐘為200 MHz、（128，120）×（128，120）碼型編碼數(shù)據(jù)、迭代次數(shù)為5時，TPC譯碼碼速率最大可以達到240 Mbit/s。在2 M碼率遙測傳輸時，鏈路余量較大，不需要TPC編碼即可較好地實現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)的可靠傳輸。隨著火箭遙測數(shù)據(jù)量的不斷增大，主流遙測傳輸碼率已逐漸升級為5 Mbit/s、10 Mbit/s，后續(xù)將增加到20 Mbit/s、50 Mbit/s，TPC編碼可有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2 工程實現(xiàn)方法

隨著航天飛行器對高速、高碼率、大容量、高可靠箭地無線通信需求的日益增大，傳統(tǒng)基于硬件的射頻無線通信系統(tǒng)，由于帶寬有限、結(jié)構(gòu)復雜、抗干擾能力弱，已經(jīng)不能滿足需要。

軟件定義設備技術(shù)擺脫了傳統(tǒng)單一硬件設備只能完成特定任務的限制，成為解決箭上無線通信設備對高速、高碼率、大容量、高可靠需求的有效途徑。軟件定義設備技術(shù)在無線通信領(lǐng)域體現(xiàn)為軟件無線電技術(shù)。軟件無線電系統(tǒng)主要包括兩類：

a）采用計算機作為軟件算法實現(xiàn)的架構(gòu)。這種方式實現(xiàn)難度低，易于上手和使用，但是計算機的系統(tǒng)功耗很高，計算機的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，調(diào)用過程繁瑣，響應時間長，運算速度和計算效率較低。

b）以FPGA芯片作為軟件算法實現(xiàn)的架構(gòu)。在這種架構(gòu)下，所有的通信算法可以在FPGA中以專用硬件的方式進行實現(xiàn)。這種方式的運算速率較高，系統(tǒng)功耗低。

采用FPGA芯片作為系統(tǒng)的運算核心的軟件無線電技術(shù)，十分適用于對體積、功耗和實時性要求極高的航天無線通信領(lǐng)域。

本文基于FPGA架構(gòu)XC4VLX200硬件平臺，提出一種適應航天遙測PCM-FM體制的TPC信道編碼工程實現(xiàn)方法。

2.1 高碼率遙測信道編碼的單元結(jié)構(gòu)及硬件實現(xiàn)

航天高碼率遙測信道編碼的單元組成如圖7所示。在編碼單元中，每個編碼單元由同步字和TPC編碼數(shù)據(jù)構(gòu)成。TPC編碼數(shù)據(jù)由原始信息碼元和校驗位組成。原始信息碼元包括數(shù)據(jù)有效標識、遙測數(shù)據(jù)和保留位。

圖7 航天高碼率遙測信道編碼單元組成示意Fig.7 Schematic Diagram of Channel Coding Unit

航天高碼率遙測TPC編碼單元步驟如圖8所示。

圖8 航天高碼率遙測TPC編碼單元的步驟Fig.8 Schematic Diagram of High Bit Rate Telemetry TPC Coding Unit

TPC編碼采用Verilog語言編寫，硬件平臺為XC4VLX200。程序主要分為4個模塊，分別是接收數(shù)據(jù)預處理、輸入數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換、TPC編碼和編碼后數(shù)據(jù)并串轉(zhuǎn)換輸出，其中TPC編碼模塊包括行編碼和列編碼。

程序流程如圖9所示。

圖9 程序流程Fig.9 Program Flow Chart

2.2 TPC編碼增益算例分析

選?。?4，57）2TPC碼在FM-BPSK調(diào)制體制下、加性高斯白噪聲（AWGN）干擾環(huán)境中的誤碼性能分析為例開展算例分析。分別對譯碼迭代次數(shù)為1，4，8的誤碼性能進行仿真，仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 算例仿真結(jié)果Fig.10 Example Simulation Results

由圖10可知，在信噪比小于6 dB（信噪比越小、干擾越強）、誤碼率要求高于10-2時，相同信噪比下，采用TPC編碼調(diào)制的信號誤碼率優(yōu)于未采用TPC編碼的情況；且TPC編碼的迭代次數(shù)越多，相同誤碼率對應的信噪比越小，即迭代次數(shù)越多，對干擾的抵抗能力越強。但隨著迭代次數(shù)的增加，增加迭代次數(shù)所獲取的抗干擾效果的差異逐漸縮小。

在航天無線傳輸所要求誤碼率通常要優(yōu)于10-6量級的條件下，TPC迭代1次的編碼增益約5.5 dB，迭代4次的編碼增益約7.5 dB，迭代8次的編碼增益約8 dB。

考慮到迭代次數(shù)的增加，影響的會增大FPGA硬件的計算復雜度，同時增加計算耗時。航天工程對實時性有著嚴苛的要求。因此，在進行航天無線通信設備的TPC編碼硬件設計時，應綜合考慮硬件的運行速度、資源消耗和任務對實時性的具體需求，綜合選擇合理的TPC迭代次數(shù)，以兼顧抗干擾和實時性的雙重要求。

2.3 TPC編碼增益試驗驗證

新型運載火箭在使用TPC編碼時，實際采用的迭代次數(shù)為1次。選擇1次迭代主要是考慮到迭代次數(shù)的增加，會增大FPGA硬件的計算復雜度，同時增加計算耗時；而根據(jù)大量飛行試驗經(jīng)驗，現(xiàn)有鏈路余量在迭代次數(shù)為1次時已可滿足使用需求。

為例驗證TPC編碼增益的效果，采用新型運載火箭配套地檢站，在誤碼率為10-6時，采用TPC編碼（迭代次數(shù)為1）和不采用TPC編碼所對應的門限電平分別為-103 dBW和-98 dBW。結(jié)果表明，在此條件下TPC編碼提供了5 dB的編碼增益。

3 結(jié)論

本文針對適用于航天高碼率無線傳輸抗干擾需求的TPC編碼原理及方法進行了分析，并結(jié)合實際工程經(jīng)驗提出了一種基于FPGA架構(gòu)的TPC編碼方法。在此基礎上，本文針對BPSK調(diào)制體制下、加性高斯白噪聲干擾環(huán)境中，（64，57）2TPC碼的編碼增益進行了算例分析。結(jié)果顯示，在干擾較大的環(huán)境下（信噪比小于6 dB），TPC編碼比沒有TPC編碼的誤碼率更低，這就給整個無線鏈路提供了額外的編碼增益。TPC的編碼增益隨迭代次數(shù)的增加而增加，但增加量逐漸減小。在航天無線傳輸所要求誤碼率通常要優(yōu)于10-6量級的條件下，TPC迭代1次的編碼增益約5.5 dB，迭代4次的編碼增益約7.5 dB，迭代8次的編碼增益約8 dB。試驗實測證明了在TPC迭代1次、誤碼率10-6時，TPC編碼可提供5 dB的編碼增益。

考慮到迭代次數(shù)的增加對FPGA硬件資源和時間消耗的增加，在進行航天無線通信設備的TPC編碼硬件設計時，應綜合考慮硬件的運行速度、資源消耗和任務對實時性的具體需求，綜合選擇合理的TPC迭代次數(shù)，以兼顧抗干擾和實時性的雙重要求。